(57)【要約】 【課題】小型で且つ高反応率を実現可能であるのは勿論のこと、触媒活性成分をコーティングする際にはガス流路の目詰まりが生じ難く、その結果、多くの触媒活性成分をコーティングすることが可能な触媒性能に優れた燃料改質触媒を提供する。【解決手段】金属平板２に積層して多数の流路Ｐを形成する流路形成部３を具備したメタル担体１と、このメタル担体１に担持される触媒活性成分４を備え、メタル担体１の流路形成部３は複数の小セル３ａを有していて、これらの小セル３ａを金属平板２上において互いに適宜間隔をもって千鳥状に配置することで流路Ｐを形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属平板に積層して多数の流路を形成する流路形成部を具備したメタル担体と、このメタル担体に担持される触媒活性成分を備えた吸熱を伴う化学反応で使用する燃料改質触媒において、上記メタル担体の流路形成部は複数の小セルを有し、上記金属平板上に複数の小セルを適宜間隔をもって千鳥状に配置して流路を形成してあることを特徴とする燃料改質触媒。
【請求項２】
メタル担体における流路形成部は金属平板から成り、複数の小セルは上記金属平板に対する打ち抜きプレス加工により形成してある請求項１又は２に記載の燃料改質触媒。
【請求項３】
水素を含むガスを生成する原料として少なくとも炭化水素と水を使用して、炭化水素を改質するものとした請求項１又は２に記載の燃料改質触媒。
【請求項４】
水素を含むガスを生成する原料として炭化水素と水と空気又は酸素を使用して、炭化水素を改質するものとした請求項３に記載の燃料改質触媒。
【請求項５】
触媒活性成分にＲｈを含んでいる請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料改質触媒。
【請求項６】
触媒活性成分にＲｈを含んでいると共に、Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＣｅＯ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項５に記載の燃料改質触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、原料としてのガソリンから水素リッチなガスを生成する改質器に用いられる燃料改質触媒に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料改質型燃料電池を搭載した燃料電池車、すなわち、ガソリンを原料とする燃料改質システムで生成した水素リッチなガスで作動する燃料改質型燃料電池を搭載した燃料電池車は、既存の燃料インフラが使用可能であること、ガソリンの体積当たりのエネルギ量（エネルギ密度）が高いために航続距離が長くとれること、などといった理由から最近注目を集めているが、現行のプラント技術を用いる場合には、サイズが大きくなって車載性が悪くなるうえ、システムの熱容量が大きくなるのに伴って起動に大エネルギを必要とすることとなり、起動時間も長くなってしまうという欠点がある。
【０００３】
そこで、燃料改質システムを小型化する試みが様々なされているが、ガソリンから水素リッチなガスを生成する改質器に使用される燃料改質触媒においては、例えば、金属平板と金属波板とを組み合わせて成る担体（いわゆるコルゲートフィン担体）を用いたり、発泡金属から成る担体を使用したりすることで、セラミックハニカム担体を具備した従来型の触媒よりもサイズを小さくする試みがなされている。
【０００４】
【非特許文献１】日産自動車（株）中央研究所材料研究所編、「新素材がクルマを変える」
【非特許文献２】日経メカニカル２００２年６月 ５６１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記したコルゲートフィン担体を用いた燃料改質触媒の場合、触媒表面がガスの流れに沿って連続して存在するので、触媒表面近傍に温度境界層が形成され、この温度境界層は、ガス流路入り口から形成し始めて流路方向に連続して発達し、特に、水蒸気改質反応では、大きな吸熱を伴うことから温度境界層が発達し易く、触媒表面温度がガス温度に比べてかなり低くなって反応速度の低下の原因となってしまう。
【０００６】
一方、担体に発泡金属を用いた燃料改質触媒の場合、担体に使用する発泡金属は流路が３次元的に構成されるため、温度境界層が発達し難く高反応率を実現可能であると考えられるが、発泡金属はガスの流路が複雑であることから、触媒活性成分のコーティングに際して、ガス流路に目詰まりが発生して触媒性能の低下を招いてしまうという問題があった。
【０００７】
この際、発泡金属の孔の拡径化及びコーティングする触媒活性成分の薄層化により、ガス流路の目詰まりをある程度防ぐことはできるが、発泡金属の孔を大きくしたり触媒活性成分の層を薄くしたりする分だけ、触媒性能が低下してしまい、したがって、担体に発泡金属を用いた燃料改質触媒では、触媒性能の向上に限度がある。
【０００８】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、小型で且つ高反応率を実現可能であるのは勿論のこと、触媒活性成分をコーティングする際にはガス流路の目詰まりが生じ難く、その結果、多くの触媒活性成分をコーティングすることが可能な触媒性能に優れた燃料改質触媒を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、金属平板に積層して多数の流路を形成する流路形成部を具備したメタル担体と、このメタル担体に担持される触媒活性成分を備えた吸熱を伴う化学反応で使用する燃料改質触媒において、上記メタル担体の流路形成部は複数の小セルを有し、上記金属平板上に複数の小セルを適宜間隔をもって千鳥状に配置して流路を形成してある構成としたことを特徴としており、この燃料改質触媒の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料改質触媒によれば、上記した構成としているので、担体に発泡金属を用いた燃料改質触媒と同様に小型化を実現することができると共に反応率の向上も実現することが可能であり、加えて、ガス流路に目詰まりを生じさせることなく触媒活性成分をコーティングすることができるので、担体に発泡金属を用いた燃料改質触媒よりも触媒性能を高めることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の燃料改質触媒は吸熱を伴う化学反応で使用するのに好適であって、図１に示すように、金属平板２に積層して多数の流路Ｐを形成する流路形成部３を具備したメタル担体１と、このメタル担体１に担持される触媒活性成分４を備えており、メタル担体１の流路形成部３は複数の小セル３ａを有していて、これらの小セル３ａを金属平板２上において互いに適宜間隔をもって千鳥状に配置する（小セル３ａを金属平板２上において適宜間隔をもって流路Ｐと直交する方向に互いにオフセットさせる）ことで、流路Ｐを形成するようにしている。
【００１２】
このように、メタル担体１における流路形成部３の複数の小セル３ａを金属平板２上において互いに適宜間隔をもって千鳥状に配置すると、複数の小セル３ａは流路Ｐに沿う方向に不連続となり、図２（ａ）に示すように、各小セル３ａの端毎で温度境界層ＢＬの成長が始まり、小セル３ａの存在しない部分において温度境界層ＢＬの成長がストップする。このため、各小セル３ａの端毎での温度境界層ＢＬの発達は、図２（ｂ）に示すコルゲートフィン担体１Ａの連続して発達する温度境界層ＢＬの発達に比べて小さくなる。
【００１３】
例えば、イソオクタンの水蒸気改質反応は、
ｉ−Ｃ８Ｈ１８＋８Ｈ２Ｏ→１７Ｈ２＋８ＣＯ  ΔＨ＝１２７４．５ｋＪｍｏｌ−１
熱を吸収する反応であり，高温の原料ガスが触媒層に導入されると、触媒表面は吸熱反応により冷却されるため、触媒表面とガス層の温度差が大きくなって温度境界層が発達する。
【００１４】
一般に、化学反応は温度が高いほど反応速度が大きくなるが、温度境界層の発達によりガス層の温度が触媒表面に十分に伝わらず、その結果、反応速度を低下させる。したがって、上記した触媒活性成分の基材としてのメタル担体１の構造を採用すれば、吸熱反応の進行を速めることができる。
【００１５】
なお、本発明の燃料改質触媒において、メタル担体における流路形成部を金属平板から成るものとし、この金属平板に対する打ち抜きプレス加工により複数の小セルを形成する構成を採用することができ、この場合には、担体の製造コストの低減が図られることとなる。
【００１６】
本発明の燃料改質触媒は、水素を含むガスを生成する原料として少なくとも炭化水素と水を使用して、炭化水素を改質するのに用いることができ、好ましくは、水素を含むガスを生成する原料として炭化水素と水と空気又は酸素を使用して、炭化水素を改質するのに用いる。この場合には、吸熱反応に必要な熱を同一の反応器内で得ることができるため、熱を供給するシステムを省略することができる。
【００１７】
また、本発明の燃料改質触媒は、従前のハニカム担体触媒と同様に、担体に触媒活性成分を含むスラリーを塗布した後、乾燥及び焼成を経て完成する。したがって、本発明の燃料改質触媒では、特に触媒活性成分の担持方法を変更することなく、均一に触媒活性成分を担持させることが可能であり、担持触媒の有効利用が可能である。この場合、触媒活性成分を含むスラリーの製法も従前の製法と変わりがない。
【００１８】
さらに、本発明の燃料改質触媒において、触媒活性成分にＲｈを含んでいる構成を採用することができ、この場合には、すすの生成を伴うことなく炭化水素を高速に改質することができるので、触媒容積を小さくすることが可能である。
【００１９】
さらにまた、本発明の燃料改質触媒において、  触媒活性成分にＲｈを含んでいると共に、Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＣｅＯ２のうちの少なくとも１つを含んでいる構成を採用することができ、この場合には、吸熱反応である水蒸気改質反応を促進することができるため、触媒容積を小さくすることができる。
【００２０】
ここで、触媒活性成分にＲｈを含む場合、Ｒｈの使用量は、好ましくは０．５〜２０ｇ／Ｌ、より好ましくは１〜４ｇ／Ｌである。Ｒｈの使用量が少なすぎると充分な触媒活性が得られず、多すぎるとコストが上昇してしまう。
【００２１】
また、触媒活性成分にＲｈを含む場合、触媒中のＲｈの濃度は、好ましくは１〜６ｗｔ％、より好ましくは２〜４ｗｔ％である。触媒中のＲｈの濃度が高すぎるとＲｈ粒子の凝集が起こって性能が低下する。逆に、触媒中のＲｈの濃度が低すぎると、反応に必要なＲｈ量を確保するために触媒担持量を増やす必要があり、この場合には、コート層の厚みが増加して深部の触媒が利用されなくなってしまい好ましくない。
【００２２】
触媒のコート量は、好ましくは５０〜２００ｇ／Ｌ、より好ましくは５０〜１００ｇ／Ｌである。Ｒｈの使用量が一定の場合、コート量が少なすぎるとＲｈ濃度を高くする必要があり、Ｒｈ粒子の凝集の影響が大きくなる。逆に、コート量が多すぎるとコート層の厚みが増加して深部の触媒が利用されなくなってしまい好ましくない。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例により本発明を説明するが、下記実施例により本発明が限定されるものではない。
【００２４】
図１に示すメタル担体１に、触媒活性成分４を含むスラリーを塗布した後、乾燥及び焼成を経て本実施例の燃料改質触媒を得た。この本実施例の燃料改質触媒と比較のために発泡金属を担体とした燃料改質触媒を製造した。いずれの触媒も、４ｗｔ％Ｒｈ／Ａｌ２Ｏ３を触媒活性成分として６０ｇ／Ｌだけ担持させている。
【００２５】
そこで、本実施例の燃料改質触媒及び比較例の燃料改質触媒に対して、燃料反応率を調べる実験を試みたところ、図３に示す結果を得た。この実験に使用した燃料は脱硫ガソリンであり、実験条件は、供給ガス温度＝５００℃、Ｈ２Ｏ／Ｃ＝１．５、Ｏ２／Ｃ＝０．４である（「Ｃ］は燃料中の炭素原子数を示す、すなわち、燃料のモル数がｘ、燃料を構成する分子の平均炭素数をａとすれば、「Ｃ］はａｘとなる）。なお、図中のＬＨＳＶは「Ｌｉｑｕｉｄ  Ｈｏｕｒｌｙ  Ｓｐａｃｅ  Ｖｅｌｏｃｉｔｙ」の略であって、供給した燃料の空間速度を表しており、ＬＨＳＶ＝［燃料（液体）の供給速度／Ｌｈ−１］／［触媒体積／Ｌ］である。また、図中のｃｐｓｉは、「Ｃｅｌｌｓ  ｐｅｒ  Ｓｑｕａｒｅ  Ｉｎｃｈ」の略である。
【００２６】
この実験で酸素（空気）を添加したのは、水蒸気改質反応の吸熱量を酸素と燃料の燃焼反応による発熱で補うためである（実際には燃料リッチであるため、いわゆる部分酸化反応になっていると推定される）。酸素と燃料の反応は水蒸気改質反応に比較して非常に速い反応速度を持ち、触媒層の最上流部でほとんど完了してしまうため、触媒層の大部分は水蒸気改質反応を受け持つことになる。したがって、原料に酸素を添加しても基本的に水蒸気改質反応のみの場合と状況は変わらない。
【００２７】
図３に示すように、燃料の反応率は、本実施例の燃料改質触媒の方が比較例の燃料改質触媒よりも高くなっており、他の実験条件においても同様の傾向を示したことから、本発明の燃料改質触媒が発泡金属を担体とした燃料改質触媒と比較して優れた燃料反応率を有していることが実証できた。
【００２８】
本実験では燃料として脱硫ガソリンを用いたが、炭化水素燃料の水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、いかような燃料を用いたとしても同様の効果を得ることができる。また、水蒸気改質反応以外の吸熱反応においても、吸熱量が充分に大きいならば、効果の大小はあるものの同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例による燃料改質触媒を示す担体の正面説明図（ａ）及び流路形成部の斜視説明図（ｂ）である。（実施例１）
【図２】本発明の一実施例による燃料改質触媒における温度境界層を示す模式図（ａ）及びコルゲート担体を有する燃料改質触媒における温度境界層を示す模式図（ｂ）である。
【図３】本発明の一実施例による燃料改質触媒及び比較例の燃料改質触媒に対して行った燃料反応率実験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１    担体
２    金属平板
３    流路形成部
３ａ  小セル
４    触媒活性成分
Ｐ    流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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